한국정보통신학회논문지 Vol. 24, No. 11: 1484~1491, Nov. 2020
유전체 공진기를 이용한 4:1(50-Ω:12.5-Ω) 마이크로스트립-슬롯 선로 임피던스 변환기
박웅희*
The 4:1(50-Ω:12.5-Ω) microstrip-slot line impedance transformer using a dielectric resonator
Ung-hee Park*
*Professor, Department of Electronic Engineering, Kangwon University, Samcheok, 25913 Korea
요 약
슬롯 선로는 슬롯을 통해 전계와 자계 신호가 전달되기 때문에 슬롯의 크기가 전력 손실에 크게 영향을 준다. 일반 적으로 슬롯 선로는 낮은 전력 손실로 동작하기 위해 상대적으로 높은 비유전율(er)의 기판에서 3GHz 이상의 높은 주파수에서 사용하게 된다. 본 논문에서는 상대적으로 낮은 비유전율(er)을 가지는 Taconic사의 TLC-30(er=3) 기판 을 이용하여 중심주파수 1.85GHz에서 동작하는 슬롯 선로를 이용한 4:1 임피던스 변환기를 제안하였다. 제안된 임 피던스 변환기에서의 슬롯 선로는 슬롯 선로 위에 유전체 공진기를 배치하여 슬롯 선로에서의 신호 손실을 줄였다.
비유전율(er) 38의 (Zr,Sn)TiO4을 이용하여 만든 유전체 공진기를 사용한 4:1 마이크로스트립-슬롯 선로 임피던스 변환기는 1.855GHz에서 삽입 특성(S21) -0.375dB와 반사 특성(S11) -27.6dB를 보였다. 이는 유전체 공진기를 이용하 면 상대적으로 낮은 비유전율 기판과 낮은 주파수 영역에서도 안정적으로 슬롯 선로를 이용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
ABSTRACT
Since the slot line transmits electric and magnetic signals through the slot, the size of the slot greatly affects the signal power loss. In order to have low loss, the slot line is mainly used at a high frequency of above 3GHz on a substrate having a high dielectric constant(er). This paper proposes the 4:1 impedance transformer using a slot line on TLC-30 laminate (h=20mil, er=3.0; Taconic) being a relatively low dielectric constant at a frequency of 1.85GHz. In the proposed impedance transformer, the dielectric resonator is arranged on the slot line to reduce signal loss occurring at the slot line.
The proposed 4:1 microstrip-slot line impedance transformer fabricated using a (Zr,Sn)TiO4 dielectric resonator(er=38) has the transmission loss(S21) of -0.375dB and the reflection value(S11) of -27.6dB at 1.855GHz. This confirms that the slot line can be stably used even in a low dielectric constant substrate and a low frequency region by using a dielectric resonator.
키워드 : 마이크로스트립-슬롯라인, 슬롯 라인, 유전체 공진기, 임피던스 변환기
Keywords : Microstrip-slot line, Slot line, Dielectric resonator, Impedance transformer
Received 2 August 2020, Revised 15 August 2020, Accepted 16 August 2020
* Corresponding Author Ung-hee Park(E-mail:[email protected], Tel:+82-33-570-6357) Professor, Department of Electronic Engineering, Kangwon University, Samcheok, 25913 Korea
Ⅰ. 서 론
슬롯 선로는 1969년 S. B. Cohn에 의해 제안된 회로 로 유전체 기판 상에서 두 개의 동판선로 사이에 폭이 좁으면서 가는 슬롯이 존재하여 슬롯 사이의 전계와 이 전계에 의해 발생하는 자계에 의해 신호가 전달되는 선 로이다.[1] 슬롯 선로는 마이크로스트립 선로 자체로는 얻기 어려운 단락 회로들이나 높은 임피던스 선로 또는 직렬 선로를 구현할 수 있는 장점이 있다. 또한, 두 개의 동판 사이의 신호 전달 방식에 기인한 평면형 구조로 인 해 슬롯 선로는 초고주파 집적 회로, 밸런스 안테나의 입력 회로, 초고주파 발룬 등에서 사용된다.[2-5] 슬롯 선로는 슬롯 선로 사이의 간격이 넓어지게 되면 신호 손 실이 증가하게 된다. 그래서 슬롯 선로는 낮은 전력 손 실을 위해 약 3GHz 이상의 높은 주파수 영역에서 9 이 상의 높은 비유전율 특성을 갖는 기판에서 주로 사용한 다.[6-8] 하지만, 방송 및 이동 통신 등 많은 통신 서비스 는 3GHz 이하의 주파수 영역에 존재하고 있고, 이들 통 신시스템에 사용하는 초고주파 회로는 3 이하의 낮은 비유전율을 가지는 기판을 주로 이용한다. 그러므로 방 송 및 이동 통신용 초고주파 회로에서는 슬롯 선로를 거 의 사용하지 않고 있다.
일반적으로 초고주파 회로의 입력과 출력 선로는 외 부와의 연결이 편리한 마이크로스트립 선로 형태로 제 작한다. 그러므로 초고주파 회로에서 슬롯 선로를 이용 하기 위해서는 마이크로스트립 선로에서 슬롯 선로 또 는 슬롯 선로에서 마이크로스트립 선로로의 선로 변환 이 있어야 한다. 또한 초고주파 회로 제작에 있어서 제 작의 용이성과 신호 손실 때문에 슬롯 선로를 이용하여 회로 전체를 제작하기 보다는 회로의 일정 부분만을 슬 롯 선로로 구현하는 경우가 많다. 마이크로스트립 선로 또는 슬롯 선로가 구현된 회로 기판은 한 쪽은 유전체가 존재이고, 다른 한 쪽은 공기인 상태가 된다. 회로 기판 에서 선로 위에 있는 공기 영역을 높은 비유전율을 가지 는 유전체 물질로 대체한다면 상대적으로 낮은 주파수 와 낮은 비유전율을 가진 기판이라도 전력 손실이 낮은 슬롯 선로의 구현뿐만 아니라 적은 손실의 마이크로스 트립-슬롯 변환 선로의 구현이 가능할 수 있다.
본 논문에서는 비유전율 3인 기판을 이용하여 중심 주파수 1.85GHz에서 슬롯 선로를 이용한 4:1 임피던스
변환 회로를 구현하려 한다. 슬롯 선로에서의 전력 손실 을 최소화하기 위해 비유전율 38인 유전체 공진기를 슬 롯 선로 위에 배치하여 4:1 임피던스 변환 회로를 구현 하였다. 유전체 공진기에 따른 마이크로스트립-슬롯 선 로의 신호 전달 특성을 CST(Computer Simulation Technology) 프로그램을 이용하여 살펴보았으며, 슬롯 선로를 이용한 4:1 임피던스 변환 회로를 제작하여 실제 동작 특성을 살펴보았다. 이를 통해 유전체 공진기를 사 용하면 상대적으로 낮은 주파수 영역과 낮은 비유전율 기판에서도 슬롯 선로를 안정적으로 사용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
Ⅱ. 본 론
2.1 마이크로스트립-슬롯 선로 신호 전달
유전체 기판에서의 슬롯 선로는 그림 1의 (a)와 같이 기판의 한 쪽 면은 도체가 폭이 좁고 가는 형태로 제거 되어 서로 분리하고, 다른 한 쪽 면은 도체는 제거된 상 태로 유전체만 존재하는 평면형 구조를 갖는다.[1] 슬롯 선로에서는 그림 1의 (b)와 같이 유전체 기판 위에 좁은 슬롯에 분리된 두 개의 도체 면에서 전계가 발생하고, 발생된 전계에 의해 그림 1의 (c)와 같이 좁은 슬롯을 따 라 자계가 발생하게 된다. 슬롯 선로의 한 쪽 면은 비유 전율 er인 유전체 기판, 다른 한 쪽 면은 비유전율 e1이 1 인 공기로 구성되어 있으므로 슬롯 선로의 실효 비유전 율 ere를 근사적으로 계산하면 식 (1)과 같이 두 비유전 율의 산술 평균 값으로 할 수 있다. 또한, 슬롯 선로의 한 파장의 길이 λs는 공기 중에서의 한 파장의 길이 λo에 대 해 식 (2)와 같은 비율로 감소하게 된다.
(1)
(2)
(a)
(b)
(c)
Fig. 1 The structure and the electric-magnetic field characteristic of the slot line on the dielectric substrate;
(a) The structure of the slot line, (b) The electric field characteristic of the slot line, and (c) The magnetic field characteristic of the slot line
유전체 기판을 이용한 슬롯 선로에 존재하는 전계와 자계를 보면 슬롯 선로의 간격이 자유 공간에서의 전파 길이(λo)보다 매우 작은 경우에는 슬롯 선로에서의 전계 와 자계는 Hz, Hr, EΦ 세 개의 요소만 존재한다.[1] 초고 주파 회로에서 전송 선로가 낮은 신호 손실을 갖기 위해 서는 전송선로에서 발생하는 전계와 자계가 전송 선로 가까이에 존재해야 한다. 슬롯 선로에서도 Hz, Hr, EΦ 값 이 선로 근처에 대부분 존재하게 되면 슬롯 선로는 낮은 신호 손실을 가지고 된다. 슬롯 선로의 Hz, Hr, EΦ 값은 식 (3)~(5)에서와 같이 거리 r에 의해 급격하게 감소한 다. 식 (2)에서 기판의 비유전율(er)이 높으면 λs/λo의 값 이 작아지게 되며, 작은 λs/λo 값은 거리에 따른 전계와 자계 값을 급속하게 감소시켜 전계와 자계를 선로 근처 에 존재하게 한다. 또한, 높은 주파수도 일정 거리에 대 해 전기적 길이를 길게 만들게 되므로, 동일 거리에 대 해 주파수가 높을수록 거리에 따른 감쇠를 증가시키게 된다. 결론적으로, 슬롯 선로와 같이 두 도체판 사이에
전계를 바탕으로 신호를 전송하는 선로는 외부로의 신 호 발산을 최대한 억제하는 것이 선로에서의 전력 손실 을 최소화 하는 것으로, 슬롯 선로에서는 상대적으로 높 은 비유전율 기판 또는 높은 주파수 영역에서 사용하여 야 전력 손실을 낮출 수 있게 된다.
∙ (3)
(4)
(5)
여기서, Hankel 함수 과 전파 상수 는 다음과 같이 정의된다.
(6)
(7)초고주파 회로에서 슬롯 선로 자체로 외부에서 신호 를 공급받아 신호를 처리하여 외부로 신호를 제공할 수 는 없다. 다양한 초고주파 선로를 이용하여 외부와의 신 호 전달에 사용하고, 슬롯 선로는 높은 특성 임피던스의 구현 또는 슬롯 선로가 가지는 회로적인 장점이 필요한 부분에서만 주로 사용하게 된다. 초고주파 회로의 입력 과 출력선로 대부분은 외부와의 연결이 용이한 마이크 로스트립 선로 형태를 가지며, 초고주파 회로에서 슬롯 선로를 이용하기 위해서는 마이크로스트립 선로에서 슬롯 선로로의 신호 전달 또는 슬롯 선로에서 마이크로 스트립 선로로의 신호 전달이 필수적이라고 할 수 있다.
마이크로스트립 선로에서 슬롯 선로의 연결은 하나의 기판에서 매우 간단하게 구현할 수 있다. 마이크로스트 립 선로와 슬롯 선로 사이의 대표적인 신호 전달 방법은 그림 2와 같다.[9,10] 그림 2의 (a)는 기판의 한 쪽 면에 는 마이크로스트립 선로가 놓여 있고, 다른 쪽 면에는 동판이 좁고 가늘게 제거된 슬롯 선로가 마이크로스트 립 선로에 대해 직각으로 놓여 있는 구조이다. 마이크로 스트립 선로는 종단이 개방된 구조로 슬롯 선로와 교차
된 지점으로부터 전기적 길이 1/4-파장(λm/4)의 선로가 존재하고, 슬롯 선로도 마이크로스트립 선로와의 교차 지점에서부터 전기적 길이 1/4-파장(λs/4)의 슬롯 선로 가 존재한다. 이를 정성적으로 살펴보면, 마이크로스트 립 선로로 신호가 입력되어 슬롯 선로로 신호가 전이되 는 경우 마이크로스트립 선로를 따라 전파되는 전계와 그 전계를 감싸고 있는 자계 중 자계가 슬롯 선로 사이 로 전파되면서 접지 도체면 슬롯 사이로 다시 전계를 유 도하면서 전파되는 과정으로 볼 수 있다. 슬롯 선로의 λs/4 슬롯 길이 대신에 그림 2의 (b)와 같이 슬롯 선로보 다 상대적으로 큰 원형 슬롯을 넣어도 동일한 효과를 볼 수 있다. 또한, 마이크로스트립 선로의 종단이 단락 상 태라면 마이크로스트립 선로와 슬롯 선로가 교차하는 지점을 마이크로스트립 선로의 종단으로 하면 그림 2의 (a)와 동일한 상태로 신호 전송을 하게 된다.
2.2. 임피던스 변환 회로에서 유전체 공진기를 이용한 마이크로스트립-슬롯 선로 신호 전이
슬롯 선로를 저손실로 사용하기 위해서는 높은 주파 수에서 비유전율이 높은 기판을 사용하여 슬롯에 존재 하는 전계와 자계를 슬롯 근처에 존재하게 해야 한다.
슬롯 선로 위에 상대적으로 높은 비유전율의 유전체 공 진기를 놓으면 낮은 동작 주파수 또는 낮은 비유전율을 가지는 유전체 기판에서도 마이크로스트립-슬롯 선로 신호 전달 회로를 구현할 수 있다.
그림 3은 유전체 공진기를 이용한 마이크로스트립- 슬롯 선로의 신호 전이를 통한 4:1 임피던스 변환 특성 을 살펴보기 위해 제작된 회로의 모습이다. 그림 3의 (a) 는 전체적인 회로도이고, (b)는 회로를 측면에서 바라본 모습이다. 간단하게 구조를 살펴보면 기판 윗면에는 마
이크로스트립 선로가 존재하고, 기판 밑면에는 슬롯 선 로로 동작하기 위해 동판 면에 길고 가는 직사각형 형태 로 동판이 제거된 구조의 스트립 라인(Strip line)을 갖는 다. 전체 동작을 보면 50-Ω 마이크로스트립 선로인 단자 1에서 입력한 신호는 선로 (A-A`) 지점에서 자계가 최 대가 되어 기판 밑면의 슬롯 선로로 신호가 전이된다.
전이된 신호는 전기적 길이 약 λ/2인 슬롯 선로를 통해 윗면의 25-Ω 마이크로스트립 선로로 다시 전이된다.
25-Ω 마이크로스트립 선로로 전이된 신호는 (A-A`) 지 점을 기준으로 위의 방향과 아래 방향으로 180도 위상 차이의 동일 세기로 분배되어 전달된다. 두 개의 25-Ω 마이크로스트립 선로 경로 중 하나의 경로에 λ/2선로를 삽입하여 연결하면 연결 지점은 동일 세기의 동일 위상
(a) (b)
Fig. 2 Typical signal transmission structure between slot line and microstrip; (a) Transmission structure between slot line of λs/4-open stub and microstrip of λm/4-open stub, and (b) Transmission structure between slot line of circle stub and microstrip of λm/4-open stub
(a)
(b)
(c)
Fig. 3 The 4:1 impedance transformer between microstrip and slot line using dielectric resonator; (a) The block diagram, (b) The side view, and (c) The equivalent circuit
의 병렬연결 형태가 되어 12.5-Ω의 특성 임피던스를 가 지게 된다. 기판 윗면에 존재하는 두 개의 마이크로스트 립 선로의 가운데 지점인 (B-B`)는 기판 밑면의 단락된 형태의 전기적 길이 약 λ/2인 슬롯 선로의 중심이 된다.
유전체 공진기는 기판 밑면에 존재하는 슬롯 선로를 덮 는 형태로 존재한다. 여기서 유전체 공진기의 외곽은 기 판 밑면에 스트립 라인과 접하는 부분만 제외하고 전부 도체로 되어 있어 기판 밑면의 접지면과 연결되어 접지 면 역할을 하게 된다. 그림 3의 (c)는 유전체 공진기를 이용한 마이크로스트립-슬롯 선로 구조의 임피던스 변 환 회로의 등가회로이다. 여기서, Zo는 마이크로스트립 선로의 임피던스, Zs는 슬롯 선로의 임피던스, θ1은 마 이크로스트립 선로의 λ/4 길이, θ2은 마이크로스트립 선로의 위치 지점부터 슬롯의 종단까지의 전기적 길이 로 Ls를 포함하여 (c-d)와 (e-f) 지점에서 슬롯 선로가 개 방으로 인식하게 하는 슬롯 선로 λ/4 길이, θ3은 두 개의 마이크로스트립 선로 사이의 길이, Cm과 Ls는 선로가 가 지는 기생 케패시턴스와 인덕턴스 성분이다. 또한, (e-g) 사이의 전기적 길이와 (f-h) 사이의 전기적 길이는 λ/2 차이가 존재한다. 등가 회로를 이용하면 유전체 공진기 를 이용한 마이크로스트립-슬롯 선로 구조의 4:1 임피 던스 변환 회로의 동작을 보다 쉽게 이해할 수 있다.
유전체 공진기를 이용한 마이크로스트립-슬롯 선로 구조의 임피던스 변환 회로는 중심 주파수 1.85GHz, 비 유전율(er) 3인 기판, 비유전율(e1) 38의 (Zr,Sn)TiO4 유 전체 공진기를 이용하여 설계하였다. 기판 윗면에 존재 하는 마이크로스트립 선로의 폭과 길이는 Agilent사의 ADS(Advanced Design System) 프로그램을 이용하여 계산하였으며, 기판 아랫면에 존재하는 유전체 공진기 의 크기 및 슬롯 선로의 폭과 길이는 근사값을 구한 뒤 CST(Computer Simulation Technology) 프로그램을 이 용하여 값을 결정하였다. 비유전율(e1) 38인 유전체 내 에서 1.85GHz 주파수의 한 파장(λ) 길이는 약 26.3mm 이다. 그러므로 직사각형 형태의 비유전율(e1) 38인 유 전체 공진기가 1.85GHz의 공진주파수를 갖기 위한 유 전체 공진기의 길이(l)는 13.15mm의 정수배가 되어야 한다. 유전체 공진기의 길이(l)는 슬롯 선로의 길이보다 길어야 하므로 26.3mm를 시뮬레이션 초기값으로 설정 하였다. 유전체 공진기의 높이(h)는 유전체 공진기의 전 기적 길이 λ/4인 약 6.6mm를 초기값으로 하여 이 값보 다 높은 값을 갖도록 하였으며, 유전체 공진기의 폭(w)
은 슬롯 선로를 안정적으로 포함하는 6mm를 초기값으 로 설정하였다. 슬롯 선로의 한 면이 비유전율(er) 3인 기 판이고 다른 한 면이 비유전율(e1) 38인 유전체 공진기 로 구성되면, 슬롯 선로의 실효 비유전율(ere)은 식 (1)에 의해 근사시키면 20.5의 값을 갖는다. 이 값을 식 (2)에 대입하면 슬롯 선로의 한 파장의 길이(λ`)는 35.8mm가 된다. 두 개의 마이크로스트립 선로와 슬롯 선로의 교차 점에서 슬롯 선로의 단락 지점까지의 거리를 각기 λ`/4 으로 하고, 마이크로스트립 선로 사이의 간격을 3.7mm 로 하면 슬롯 선로를 위한 스트립 라인의 길이는 21.6mm를 초기값으로 할 수 있다. 슬롯 선로의 폭은 S.
B. Cohn에 의해 제안된 수식인 식 (8)을 이용하여 초기 값을 설정하였다.[1] 식 (8)에서 b/a(=기판의 폭/슬롯 선 로의 폭)의 값이 5.35가 되면 슬롯 선로의 임피던스는 50-Ω이 된다. 기판의 폭(b)은 유전체 공진기의 폭(w)인 6mm로 하면 50-Ω 특성 임피던스에 해당하는 슬롯 선로 의 폭(a)는 1.1mm가 된다. 슬롯 선로의 폭(a)는 1.1mm 를 초기값으로 하여 CST 시뮬레이션 프로그램을 수행 하였다.
ln
ln
′
(8)
(a: 슬롯 선로의 폭, b: 기판의 폭)
그림 4의 (a)는 유전체 공진기를 이용한 마이크로스 트립-슬롯 선로에서 슬롯 선로의 폭(a)과 길이, 유전체 공진기의 길이(l), 높이(h), 폭(w)을 구하기 위한 CST 시 뮬레이션에서의 회로 모습이다. 유전체 공진기의 폭(w) 은 신호 전달 특성에 크게 영향을 주지 않아 초기값으로 설정한 6.0mm으로 확정하였다. 이를 바탕으로 CST 시 뮬레이션을 통해 얻은 값은 슬롯 선로의 길이(λs)는 21.6mm, 슬롯 선로의 폭(b)은 1.0mm, 유전체 공진기의 길이(h)는 10.4mm이다. 유전체 공진기의 길이(h)는 초 기 설정 값 6.6mm와 많은 차이를 갖는다. 이는 6.6mm 값은 단순하게 비유전율(e1) 38에서의 전기적 길이 λ/4 에 해당하는 값이다. 실제적으로 슬롯 선로는 한 쪽 면 은 비유전율(e1) 38의 유전체 공진기가 있고, 반대 쪽 면 은 폭 0.5mm의 비유전율(er)이 3.0인 기판과 공기로 구 성되어 있다. 공기를 제외하고 비유전율(e1) 38과 비유 전율(er) 3을 산술 평균한 값으로 전기적 길이 λ/4에 해 당하는 길이를 구하면 약 8.95mm가 된다. 여기에 공기
를 포함하여 유전체 공진기의 길이(h)는 약 10mm 정도 의 값을 가짐을 예상할 수 있다. CST 시뮬레이션을 통해 얻은 유전체 공진기의 길이(h)는 10.4mm는 이론적인 값과 매우 유사한 값임을 알 수 있다. 그림 4의 (b)는 CST 시뮬레이션을 통해 얻은 유전체 공진기의 폭(w) 6.0mm, 슬롯 선로의 길이(l) 21.6mm, 슬롯 선로의 폭(b) 1.0mm, 유전체 공진기의 길이(h) 10.4mm를 반영하여 얻은 결과값이다. [표 1]은 비유전율(er)이 3이고, 유전 체의 두께가 0.5mm인 Taconic사의 TLC-30-0200 -CH/CH인 Teflon 기판을 이용하여 계산한 마이크로스 트립 선로, 슬롯 선로, 유전체 공진기의 폭 및 길이 값이 다. 슬롯 선로와 유전체 공진기의 길이와 폭, 높이 값은 CST시뮬레이션 프로그램에서 동작 특성에 큰 영향을 주지 않아 초기값을 그대로 사용하였다. 시뮬레이션 결 과를 살펴보면 1.85GHz에서 전달계수(S21)는 -0.02dB 이내, 반사계수(S11)는 -52dB 이하의 값을 가짐을 볼 수 있다. 그림 4의 (c)는 CST 시뮬레이션을 통해 얻은 값으 로 제작한 유전체 공진기의 모습이다.
2.3. 제작한 마이크로스트립-슬롯 선로를 이용한 4:1 임피던스 변환 회로 특성
(a)
(b)
Fig. 5 The photograph of the fabricated 4:1 microstrip- slot line impedance transformer using a dielectric resonator;
(a) The upper side(size: 88×40 mm2), and (b) The bottom side
그림 5의 (a)와 (b)는 비유전율(er)이 3.0이고, 유전체 의 두께가 0.5mm인 Taconic사의 TLC-30-0200-CH/CH인 (a)
(b)
(c)
Fig. 4 The simulation characteristics(S11&S21) of the proposed circuit using a dielectric resonator; (a) CST simulation circuit, (b) The signal transfer characteristics, and (c) The photograph of the fabricated dielectric resonator
ITEM Initial value
[mm]
Applied value [mm]
Microstrip line
50-Ω Width 1.25 1.25
λ/4-length 26.2 26.2
25-Ω Width 3.33 3.33
λ/4-length 53.8 53.8
12.5-Ω width 7.08 7.08
Slot line
50-Ω width 1.1 1.0
λ/4-length 8.95 8.95
Total line length(λs) 21.6 21.6
Dielectric resonator
Width(w) 6.0 6.0
Height(h) 6.6 10.4
Length(l) 26.3 26.4
Table. 1 The specification of the fabricated 4:1 impedance transformer
Teflon 기판을 사용하여 실제 구현된 마이크로스트립- 슬롯 선로를 이용한 4:1 임피던스 변환 회로의 윗면과 아랫면 모습이다. 제작된 4:1 임피던스 변환기는 12.5-Ω 마이크로스트립 선로의 출력 특성 임피던스를 갖는다.
이를 50-Ω 마이크로스트립 선로로 변환시키기 위해 19.85-Ω과 31.5-Ω의 λ/4-임피던스 변환선로를 2단으로 삽입하여 정합시켰다. 측정을 위하여 회로 에 삽입된 2 단 임피던스 변환기의 신호 손실 값(S21)은 -0.182dB였 다. 그림 6은 Protek A333 network analyzer를 이용하여 측정된 4:1 임피던스 변환기의 신호 손실 값(S21)과 신호 반사 값(S11)이다. 제작된 4:1 임피던스 변환기는 중심 주파수 1.855GHz에서 신호 반사 값(S11)은 약 -28dB로 최소가 되며, 신호 손실 값(S21)은 -0.557dB의 값을 가졌 다. 12.5-Ω 마이크로스트립 선로로부터 출력 단자 50-Ω 마이크로스트립 선로로의 2단 임피던스 변환 선로의 손 실을 고려하면 실제 유전체 공진기를 이용한 마이크로 스트립-슬롯 선로 구조의 4:1 임피던스 변환기의 전달 손실 값(S21)은 1.855GHz에서 -0.375dB가 된다.
Ⅲ. 결 론
슬롯 선로는 마이크로스트립 선로에서 얻기 어려운 단락 회로, 높은 임피던스 선로, 직렬선로를 구현할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 슬롯 선로는 슬롯의 크기가 작을수록 손실이 낮게 발생하므로 상대적으로 높은 비 유전율 9이상의 기판에서 3GHz 이상의 높은 주파수 영 역에서 주로 사용 가능한다.
본 논문에서는 슬롯 선로 밑면에 높은 비유전율을 가
지는 유전체 공진기를 사용하여 상대적으로 낮은 비유 전율을 가지는 기판과 3GHz 이하의 주파수 영역에서도 적은 손실로 안정적으로 슬롯 선로를 사용 할 수 있음을 확인하였다. 비유전율 38의 유전체 공진기를 슬롯 선로 에 사용하여 비유전율 3인 기판에서 1.85GHz 동작 주파 수를 갖는 마이크로스트립-슬롯 선로 구조의 4:1 임피 던스 변환기를 제작하여 전달 손실(S21) -0.375dB와 반 사 계수(S11) -28dB로 동작함을 살펴보았다. 이는 대다 수 통신시스템이 존재하는 3GHz 이하 대역에서 대부분 의 초고주파 회로 제작 기판으로 사용되는 비유전율 4 이하의 기판에서도 유전체 공진기를 사용하면 낮은 손 실의 슬롯 선로를 구현할 수 있음을 확인할 수 있었다.
REFERENCES
[ 1 ] S. B. Cohn, “Slot line on a dielectric substrate,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.
17, pp. 768-778, Oct. 1969
[ 2 ] Y. Kim, S. H. Sim, and Y. C. Yoon, “Transmission Line using Microstrip-Slotline Transition Technology and Its Application to Power Divider,” The Journal of Korea Navigation Institute, vol. 17, pp. 687-692, Dec. 2013.
[ 3 ] J. I. Lee, “Compact Slot Antenna for 5.8GHz RFID,” Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 17, no. 12, pp. 2763-2768, Dec. 2013.
[ 4 ] J. Yeo and J. I. Lee, “Design of Compact Stepped Open Slot Antenna for UWB Applications,” Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 21, no. 1, pp. 1-7, Jan. 2017.
[ 5 ] U. T. Ahmed and A. M. Abbosh, “Wideband out-of-phase power divider using tightly coupled lines and microstrip to slotline transitions,” Electronics Letters, vol. 52, no. 2, pp.
126–128, Jan. 2016.
[ 6 ] F. K. Sun, W. S. Ji, X. C. Ji, P. P. Han, Y. Y. Tong, and Z. Y.
Zhang, “Design of Broadband Transition Structure from Microstrip to Slotline with Band Notched Characteristic,”
Progress. Electromagnetics Research Letters, vol. 73, pp.
105–112, Feb. 2018.
[ 7 ] G. E. Ponchak and M. Bozzi, “An Investigation of Finite Width Slotline Open Circuits Comprised of Multiarm Short-Circuit Stubs,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 66, pp. 5212-5220, Dec. 2018.
[ 8 ] Z. Y. Zhang, W. S. Ji, F. K. Sun, Y. Y. Tong, and L. N.
Wang, “A design of new microstrip-slotline transition Fig. 6 The operation characteristics(S11&S21) of the
fabricated 4:1 microstrip-slot line impedance transformer using a dielectric resonator
structure,” in 2019 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), Guangzhou in China, May. 2019.
[ 9 ] B. Schuppert, “Microstrip/Slotline Transition: Modeling and Experimental Investigation,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 36, pp. 1272-1282, Aug. 1988.
[10] D. M. Pozar, Microwave Engineering, Addison Wesley, pp.
343-348, 1990.
박웅희(Ung-hee Park)
2000년 서강대학교 전자공학과 공학박사 2000.3~2006.8 한국전자통신연구원 선임연구원 2006.8~현재 강원대학교 공학대학 전자공학전공 교수
※관심분야 : 초고주파 소자 및 시스템
